森林碳計(jì)量方法研究進(jìn)展

趙苗苗,趙 娜,劉 羽,楊吉林,劉 熠,岳天祥,*

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

在全球碳循環(huán)中,陸地生態(tài)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜,最易受人類活動(dòng)影響的一環(huán)。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分,是陸地最大的儲(chǔ)碳庫,其森林土壤碳占全球土壤碳儲(chǔ)量的39%,而植被碳儲(chǔ)量約占全球植被碳儲(chǔ)量77%—85%的份額[1]。森林具有長期持續(xù)的增匯作用,在減緩和應(yīng)對(duì)全球氣候變暖中起到重要的作用[2]。

森林固碳增匯效益的發(fā)揮具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)可行性和現(xiàn)實(shí)可操作性。我國森林覆蓋率從1998年的13.9%增加到2013年的21.63%,另外通過采取人工造林及提高森林管理水平等措施,預(yù)計(jì)到20世紀(jì)中葉,我國的森林覆蓋率會(huì)達(dá)到26%[3]。然而,森林生長狀況除受到植物自身的生理生態(tài)過程影響以外,還受到自然干擾(火災(zāi)、病蟲害等)、氣候變化、人類活動(dòng)等的影響,具有明顯的時(shí)空變化,因此森林碳計(jì)量存在極大的不確定性,準(zhǔn)確監(jiān)測森林生態(tài)系統(tǒng)的碳收支是全球變化研究的前沿問題[4-7]。

為深入了解森林生態(tài)系統(tǒng)的增匯功能,必須有一套科學(xué)有效的森林碳計(jì)量方法體系。近年來,國內(nèi)外發(fā)展了大量對(duì)森林碳計(jì)量進(jìn)行估算的方法,主要有基于樣地清查的森林植被碳和土壤碳估算方法[8-9]、基于生長收獲的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪鉡10]、基于定量遙感、雷達(dá)觀測的遙感估測[11]、基于多尺度森林生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通量觀測[12]和陸地生態(tài)系統(tǒng)過程模型模擬[13]等方法。然而,由于森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)森林碳計(jì)量的估算結(jié)果普遍存在精度低、不確定性高的問題。2008年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》中大部分國家采用的是IPCC第一、二層次的方法,采用缺省參數(shù)計(jì)量,存在著成熟林結(jié)果偏高,中幼齡林結(jié)果偏低的問題[14]。

在全球變化的背景下,隨著世界各國溫室氣體排放清單的編制,針對(duì)我國以中幼齡林為主的現(xiàn)狀,迫切需要科學(xué)的方法體系計(jì)量中國的碳源/匯[15],分析森林碳源/匯的時(shí)空分布特征,預(yù)測未來氣候變化趨勢下森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)全球變化的響應(yīng)與適應(yīng)的特征及機(jī)制,提升我國在生態(tài)環(huán)境問題上的國際發(fā)言權(quán)和主導(dǎo)權(quán),同時(shí)對(duì)我國森林可持續(xù)經(jīng)營、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及美麗中國建設(shè)提供建議與支持。本文回顧了森林碳計(jì)量方法中基于樣地清查的森林碳計(jì)量方法,基于模型的森林碳計(jì)量方法以及基于生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站的通量觀測方法,分析各類方法的主要特征及存在的主要問題,優(yōu)缺點(diǎn),同時(shí)探討森林碳計(jì)量方法未來的發(fā)展趨勢,為不同時(shí)空尺度下森林碳計(jì)量提供參考。

1 基于樣地清查的森林碳計(jì)量方法

1.1 基于樣地清查的森林植被碳估算方法

森林生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同植被類型的碳儲(chǔ)量直接獲取比較困難,之前的國內(nèi)外研究大多采用45%或者50%作為森林植被類型的平均碳含量,乘以森林植被的現(xiàn)存量推算得到森林植被的碳儲(chǔ)量[8-9]。當(dāng)前,森林碳計(jì)量方法主要基于森林清查樣地資料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立起來[16]。主要的植被碳計(jì)量方法有基于森林清查的樣地生物量估算法(包括皆伐法,平均生物量法)和蓄積法。

(1)皆伐法。顧名思義,它通過直接砍伐單位面積的林木之后測定其(根、葉、枝、干、果等)的鮮重,換算之后得到干重,各部分之和為單位面積林木總的生物量。這種方法精度高,但工作量大,在實(shí)際操作過程中難度較大,可作為檢驗(yàn)其他間接測定方法的標(biāo)準(zhǔn)[17]。該方法一般適用于林下灌草小樣方生物量測定。

(2)平均生物量法。主要是采用平均木的生物量乘以株數(shù),再結(jié)合該類型的森林面積估算森林生物量的方法[18]。通過選取標(biāo)準(zhǔn)木,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)木的生物量,乘以樣地內(nèi)的森林株數(shù)可以得到樣地總生物量[19]。該方法較為粗略,誤差較大,適合大區(qū)域中樹木大小符合正態(tài)分布的森林。

(3)蓄積擴(kuò)展因子法。通過抽取具體樹種生物量與蓄積的比值,即生物量擴(kuò)展因子(BEF,biomass expansion factor,可以定義為林分總生物量與干材蓄積或干材生物量的比)乘森林總蓄積量求出生物量,然后根據(jù)不同類型森林含碳率得到森林碳儲(chǔ)量[20]。有研究表明,擴(kuò)展因子并不是常數(shù),Brown等人利用干材擴(kuò)展因子、蓄積以及木材密度得到干材生物量,再根據(jù)擴(kuò)展因子得到總生物量[21]。方精云等根據(jù)中國境內(nèi)758個(gè)林分的生物量與蓄積研究,發(fā)現(xiàn)BEF與林分蓄積之間是呈倒數(shù)的非線性關(guān)系,當(dāng)林分蓄積到達(dá)一定程度時(shí),趨于常數(shù)[22]。

1.2 基于樣地清查的森林土壤碳估算方法

森林土壤碳主要指陸地碳循環(huán)中的森林土壤有機(jī)碳,在未來氣候變暖的情況下,溫度的升高導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)分解和土壤呼吸作用增強(qiáng),會(huì)引起更多的土壤碳排放[23-24]。另外,對(duì)土壤庫的微小擾動(dòng)都會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯產(chǎn)生重大影響[25]。目前對(duì)森林土壤碳儲(chǔ)量和碳循環(huán)的估算和模擬研究是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究熱點(diǎn)之一。國內(nèi)外基于樣地清查的土壤碳估算方法主要有：

(1)土壤類型法。根據(jù)不同土壤類型單位面積上的采樣調(diào)查數(shù)據(jù)獲取該類型的土壤碳儲(chǔ)量,再根據(jù)土壤類型圖計(jì)算區(qū)域土壤碳儲(chǔ)量。Eswaran根據(jù)修正后的FAO土壤類型分布圖估算全球土壤碳儲(chǔ)量為1576 Pg[26],而Batjes在1996年將世界土壤圖劃分為26萬個(gè)基本網(wǎng)格單元,按每個(gè)土壤單元土壤理化性質(zhì)和礫石含量等數(shù)據(jù),計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格單元的平均碳密度,最后根據(jù)各網(wǎng)格面積匯總計(jì)算全球1米分辨率有機(jī)碳儲(chǔ)量為l462—l548 Pg[27]。于東升等[28]基于中國1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫,將中國區(qū)域分為926個(gè)土壤類型單元,九萬余個(gè)圖斑,利用制圖單元碳儲(chǔ)量求和得到中國有機(jī)碳儲(chǔ)量為89.14 Pg。該方法在一定程度上可以獲得大區(qū)域森林土壤碳儲(chǔ)量,但是由于不同研究人員研究基礎(chǔ)和采樣方法不同,獲取的數(shù)據(jù)資料差異較大,導(dǎo)致結(jié)果差異較大。

(2)生命帶研究法。根據(jù)不同生命地帶土壤有機(jī)碳的密度與該類型生命帶面積的乘積計(jì)算總的森林土壤有機(jī)碳。Post根據(jù)Holdridge生命帶分類系統(tǒng),基于地理分布、植被以及氣候因子對(duì)土壤碳密度進(jìn)行細(xì)分,計(jì)算了超過1100個(gè)土壤剖面,估算出全球土壤碳庫為1395 Pg[29]。由于該方法在大區(qū)域應(yīng)用時(shí)難以對(duì)植被類型進(jìn)行精確分類和細(xì)化,且受土地利用方式變化等人為管理措施的影響,其不確定性較大。

(3)土壤碳經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?。由于森林土壤有機(jī)碳受到多種因素的影響,因此通過建立土壤碳密度與其周圍環(huán)境、土壤、氣候、植被、地形地貌等因素的關(guān)系,可以估算區(qū)域碳儲(chǔ)量[30-31]。另外,根據(jù)土壤屬性的空間自相關(guān)性,利用回歸模型結(jié)合克里金插值的方法估算土壤碳密度,還可以提高模擬精度[32-33]?；诮?jīng)驗(yàn)方程的森林土壤碳計(jì)量計(jì)算簡便,但精度較低,往往受區(qū)域和森林植被類型的限制,難以實(shí)現(xiàn)時(shí)空分布上的精確模擬。

基于樣地清查的森林碳計(jì)量方法能夠較為精確的估算森林現(xiàn)有的植被和土壤的碳儲(chǔ)量,但操作復(fù)雜,比較適合于小區(qū)域估算碳儲(chǔ)量。在時(shí)間尺度上,更多依賴于現(xiàn)有觀測資料的觀測間隔,且難以實(shí)現(xiàn)空間上的碳儲(chǔ)量分布和碳源/匯強(qiáng)度估算,沒有考慮氣候變化和人為管理措施的影響,無法對(duì)森林未來碳源/匯進(jìn)行估算。

2 基于模型的森林碳計(jì)量方法

隨著《京都議定書》的制定,全球加快了林業(yè)清單編制的步伐,針對(duì)清單中的方法和參數(shù),越來越多的國家采取了IPCC報(bào)告中第三層次的方法和基于本國情況的參數(shù)。例如美國國家林業(yè)碳計(jì)量基于FORCARB模型[34],該模型根據(jù)國家清查樣地的數(shù)據(jù),核心是生長收獲的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?而土壤碳的估算根據(jù)STATSGO數(shù)據(jù)庫。日本對(duì)森林碳源/匯的估算采用蓄積擴(kuò)展因子法,土壤碳源/匯基于CENTURY模型[35-36]估算。加拿大利用基于國家森林清查體系的CBM-CFS3模型[37]等國家森林碳監(jiān)測、計(jì)量及報(bào)告系統(tǒng)估算森林的碳源/匯[38],在東部利用CENTURY模型模擬從森林到農(nóng)田轉(zhuǎn)變時(shí)的土壤碳的變化,西部根據(jù)加拿大土壤信息系統(tǒng)估算。澳大利亞估算碳源/匯主要基于國家碳計(jì)量系統(tǒng)(NCAS),采用FullCAM模型[39],它融合計(jì)量森林生態(tài)系統(tǒng)的CAMFor模型[40]、計(jì)量農(nóng)田和草地的CAMAg模型[41]以及用于土壤碳的RothC模型[42]。英國對(duì)于森林碳計(jì)量的模擬是利用CARBINE和C-Flow碳計(jì)量模型。挪威最近一次森林碳計(jì)量是2010年開始并于2014年完成,其森林地上部分根據(jù)森林清查經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算,土壤部分則利用Yasso[43]模型計(jì)算。

生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型利用數(shù)學(xué)方法定量描述陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況及其與全球環(huán)境變化之間的關(guān)系,并且借助于遙感、地理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)手段模擬碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)變化,估算植被和土壤碳的運(yùn)輸情況,預(yù)期其未來[44]。近幾十年來,陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型得到了較大的發(fā)展。根據(jù)不同尺度及不同手段,可以分為以下幾類：(1)基于生長收獲的模型。包括生物量模型,全碳庫模型,林窗模型等；(2)利用遙感估算生產(chǎn)力的模型；(3)過程模型。包括基于單株、林分以及生態(tài)系統(tǒng)尺度的過程模型。

2.1 基于生長收獲的森林碳模型

生長模型是指用一組數(shù)學(xué)方程式來定量描述森林樹木的生長與林分狀態(tài)和立地條件等的關(guān)系,主要基于森林調(diào)查數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?能夠準(zhǔn)確地模擬森林的生長,但是不能夠解釋環(huán)境對(duì)森林生長的影響。根據(jù)其模擬的碳庫不同,又分為生物量模型、全碳庫模型和林窗模型。

(1)生物量模型。根據(jù)不同樹種的生長曲線,建立生物量與樹木胸徑和樹高的關(guān)系,計(jì)算樹木地上部分的生物量,通過擴(kuò)展因子計(jì)算地下部分的生物量,然后乘以系數(shù)得到碳儲(chǔ)量。異速生長模型是生物量模型中應(yīng)用最廣的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?隨著研究尺度的增大,很多生態(tài)學(xué)家開始整合大量文獻(xiàn)資料,建立起適用范圍更大的廣義的異速生長方程[10,45-47]。生長模型中涉及的指標(biāo)主要包括樹高、斷面積、胸徑、冠幅以及樣地的緯度、坡度、坡向、海拔、立地指數(shù)等立地條件。具體的模型主要有：FVS[48-49],CACTOS[50],ORGANON[51],TreeGross[52]等。

(2)全碳庫模型。這類模型的核心仍然是生長收獲方程,在計(jì)算地上植被生物量的同時(shí)通過耦合一個(gè)土壤碳分解模型亦可以計(jì)算地下部分的土壤碳庫。例如：CO2Fix[53](耦合Yasso模型),TreeGrOSS-C[54],FORCARB[34],CBM-CFS3[37-38]等。但是由于不同的森林植被類型土壤碳含量差距很大,難以實(shí)現(xiàn)森林土壤碳儲(chǔ)量精確的模擬。

(3)林窗模型。最早由Watt提出,指的是一片森林中由于自然因素或者偶然性災(zāi)害(大風(fēng)、雷電、火災(zāi)等)造成樹木的死亡使得林冠層出現(xiàn)空缺、地表植物快速生長的現(xiàn)象,但未給出林窗的定義。后來的研究者由于研究對(duì)象的不同,給出了不同的定義[55-56]。Botkin等1972年首次建立了林窗模型：JABOWA[57]。我國的林窗模型NEWCOP等在我國東北也得到了較為廣泛的應(yīng)用[58]。林窗模型使得考慮多樹種、異齡林成為可能,為模擬森林長期演替動(dòng)態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

基于生長收獲的模型能夠很好的利用森林清查資料,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行森林生物量的計(jì)算,也正是這種基于經(jīng)驗(yàn)公式的方法也帶來了局限性。比如：不能說明森林與氣候因子的關(guān)系,及森林的碳循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)變化的內(nèi)在機(jī)理,也不能很好地進(jìn)行地下土壤碳的模擬,特別是在氣候變化的情況下,無法很好地進(jìn)行未來森林狀況的預(yù)測。

2.2 遙感模型

伴隨著遙感技術(shù)從定性向定量化方向的發(fā)展,反演的精度日益提升,可以有效地探測和提取更多的陸面要素,為估算全球碳儲(chǔ)量和模擬碳循環(huán)過程提供了數(shù)據(jù)支持和技術(shù)基礎(chǔ)。例如,成像光譜儀能較確切地探查陸表的生物地球化學(xué)組成,反演地表土壤有機(jī)質(zhì)含量和植被冠層碳氮含量；多角度遙感由于具有較好的時(shí)空連續(xù)性能夠提高對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)、冠層光合有效輻射、水分平衡和蒸散發(fā)、能量分布等要素的估算精度；雷達(dá)可以用于全天時(shí)、全天候地監(jiān)測地表粗糙度,冠層物理結(jié)構(gòu)特征,植被水分含量等。

另外,通過遙感反演的植被指數(shù)(VI)或葉面積指數(shù)(LAI)計(jì)算光合有效輻射比例(fPAR),再乘以入射的光合有效輻射(PAR)、最大光能利用率與環(huán)境因子修正系數(shù),從而得到總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)或NPP,這種方式稱為光能利用率模型,比較成熟的有CASA[11],GIO-PEM[59],VPM[60]等。該類模型結(jié)構(gòu)簡單,能夠充分利用衛(wèi)星遙感的植被觀測信息,不需要野外采樣,減少插值誤差；缺點(diǎn)是模型受地域限制,且多為經(jīng)驗(yàn)性模型,最大光能利用率不僅與植被類型有關(guān),而且季節(jié)性變化明顯,不易精確確定。此外,由于遙感資料的時(shí)間序列有限,在計(jì)算NPP時(shí),土壤碳庫的初始化比較困難。

近十年來,隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,研究者發(fā)現(xiàn)不同植被類型的GPP與日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)在葉片、植株、冠層乃至生態(tài)系統(tǒng)尺度均存在很強(qiáng)的線性關(guān)系,能夠?yàn)镚PP估算提供一種更為直接的遙感方法[61-63]。然而,由于森林生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,從葉綠體到冠層尺度GPP與SIF的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)不一致的特征,此外還會(huì)受到環(huán)境脅迫、冠層結(jié)構(gòu)、植物功能型等多方面因素的影響,存在很大的不確定性。

2.3 過程模型

隨著模型的發(fā)展及研究的不斷深入,人們逐漸開始從生態(tài)過程機(jī)理上進(jìn)行森林碳循環(huán)的模擬。過程模型以植物生理生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ),模擬光合、呼吸和蒸散發(fā)等關(guān)鍵生態(tài)過程引起的大氣-植被-土壤連續(xù)體之間的物質(zhì)交換和能量流動(dòng),借助復(fù)雜的數(shù)理公式和經(jīng)驗(yàn)方程,計(jì)量在單株、林分和陸地生態(tài)系統(tǒng)三個(gè)尺度上,森林植被和土壤碳庫以及碳通量的變化[12]。生態(tài)過程模型理論基礎(chǔ)雄厚,層次豐富,結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn),分為單株和林分以及生態(tài)系統(tǒng)尺度上的森林生態(tài)系統(tǒng)過程模型[64]。

(1)基于單株的過程模型。在單株的尺度上,不僅考慮林木的三維空間尺度,而且考慮太陽的季節(jié)和日變化特性來計(jì)算林冠下樹木對(duì)光照輻射的利用程度,詳細(xì)地從樹冠中葉片面積的分布聚集程度,輻射的傳輸,以及蒸騰來進(jìn)行光合的計(jì)算,比如MAESTRA[65-66]模型。另外,單株過程模型可以和生長收獲模型結(jié)合,例如耦合了FVS模型和Stand-BGC模型的FVS-BGC[67]模型,是美國較為常用的森林管理模型。德國的BANALCE模型,是以氣候數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)場,根據(jù)林木的單株數(shù)據(jù)得到樹木不同部分的碳貯量,并能模擬樹冠的光分配以及碳、氮、水耦合與平衡,從而得到林分水平的預(yù)測值,可以用來表征不同環(huán)境下林木的響應(yīng),并且可以輸出單株的三維空間效果圖。此外國際上常用的單株模型還有 SORTIE[68-69],TRIPLEX[70],Fire-BGC[71]等。

(2)基于林分的過程模型。該類模型一般不以單棵樹作為模擬單位,而是綜合考慮氣候、樹木林分結(jié)構(gòu)、管理措施、土壤質(zhì)地以及氣候變化對(duì)森林生長的影響。按林分密度計(jì)算光合、呼吸、蒸散發(fā)等過程。除此之外,該類模型一般不考慮水平方向的空間異質(zhì)性。例如：初期的BIOMASS[72]利用經(jīng)驗(yàn)的方法計(jì)算光合,后來采用Farquhar模型進(jìn)行計(jì)算,冠層分為飽和陽葉,未飽和陽葉以及陰葉三部分,并分別計(jì)算其輻射吸收量。另外模型還包括呼吸作用、凋落物分解,以及林分的水循環(huán)3個(gè)模塊?；诹址值倪^程模型還有：GOTILWA+[73],3-PG[74-75],FORECAST[76],Forest-BGC[77-78]等。

(3)基于生態(tài)系統(tǒng)的過程模型。該類模型主要用于大尺度上模擬碳在大氣-植被-土壤中的循環(huán),過程比較復(fù)雜,涉及到太陽輻射傳輸吸收、植物光合呼吸、冠層蒸散發(fā)、土壤分解等過程,能夠模擬分析森林生態(tài)系統(tǒng)不同部分的碳收支及各類碳庫的時(shí)空變化特征。涉及的生理模型的驅(qū)動(dòng)因子一般包括氣候(溫度、降水、風(fēng)速、日長、云量、太陽輻射、飽和水汽壓差、二氧化碳濃度等),土壤(機(jī)械組成、粘、砂土含量、濕度,pH(酸堿度),EH(氧化還原電位)、飽和含水率、持水量和萎蔫系數(shù)等),植被生理生態(tài)參數(shù)(物候期、植被類型及分布、氣孔導(dǎo)度或阻力、胞間CO2濃度、葉片溫濕度、LAI(葉面積指數(shù))、SLA(比葉面積)、VPD(飽和水汽壓差)、光合類型分類(C3、C4))、人類活動(dòng)(砍伐、植樹、灌溉等)等。輸出變量主要包括碳庫(植物根莖葉、凋落物、土壤和總碳庫)、生態(tài)系統(tǒng)碳通量(GPP、NPP(Net primary productivity,凈初級(jí)生產(chǎn)力)、NBP(Net biome productivity,凈生物群區(qū)生產(chǎn)力)、NEP(Net ecosystem productivity,凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力))、呼吸(自氧呼吸(維持、生長),異氧呼吸)、土地利用變化及災(zāi)害損失等。

陸地生態(tài)系統(tǒng)過程模型可以同時(shí)模擬不同的生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地、荒漠等),并可進(jìn)一步劃分為靜態(tài)植被(如CENTURY[35-36]、TEM[79-80]、InTEC[81]和Biome-BGC82-83]等)和動(dòng)態(tài)植被(如BIOME3、IBIS[84-85]、LPJ-DGVM[86]等)模型。其中靜態(tài)植被模型假設(shè)在整個(gè)模擬期內(nèi),植被類型和結(jié)構(gòu)組成不發(fā)生變化,植被與氣候處于平衡狀態(tài),而動(dòng)態(tài)植被模型根據(jù)氣候和土壤條件決定植被的分布,并且可以模擬全球變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成的影響。對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)而言,森林年齡是其碳庫和通量長期變化的主要決定因子,而氣候要素會(huì)導(dǎo)致碳通量的年際波動(dòng),InTEC模型綜合考慮了森林年齡、氣候、森林類型、土壤屬性和氮沉降對(duì)森林生產(chǎn)力和碳收支的影響[81]。該模型將植被分為4個(gè)碳庫(粗根、細(xì)根、莖、葉),土壤分為9個(gè)碳庫,森林年齡對(duì)碳收支的長期影響主要通過NPP與林齡的關(guān)系模型體現(xiàn)。

生態(tài)系統(tǒng)過程模型能夠模擬植物的生命歷程及生物地球化學(xué)循環(huán)過程,通過模型模擬,闡明植物碳循環(huán)與環(huán)境因子相互作用的機(jī)理。與統(tǒng)計(jì)模型和光能利用率模型相比,該類模型可以詳細(xì)地描述多種因素對(duì)碳循環(huán)的影響,同時(shí)可以預(yù)測未來氣候變化條件下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的變化。

3 通量觀測

森林生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)是在森林生態(tài)系統(tǒng)分布區(qū)建立的長期觀測研究設(shè)施,對(duì)自然或者人為干擾狀態(tài)下森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支的動(dòng)態(tài)變化格局與過程進(jìn)行長期監(jiān)測[87],能夠識(shí)別和剔除生態(tài)環(huán)境短期波動(dòng)帶來的不確定性,探究生態(tài)系統(tǒng)演替的內(nèi)在規(guī)律、變化機(jī)制以及周期性規(guī)律,為森林碳計(jì)量估算提供支持[13]。關(guān)于森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)通量的研究可以追溯到國際地球物理年(1957—1958年)以及國際生物學(xué)計(jì)劃(IBP)(1964—1974年),后來演變成了現(xiàn)在的國際長期生態(tài)研究計(jì)劃(ILTER)[88]。ILTER主要依托研究站開展生態(tài)系統(tǒng)過程與格局方面的研究工作,并系統(tǒng)地收集和存儲(chǔ)所有觀測數(shù)據(jù)。目前國際上主要的觀測網(wǎng)絡(luò)有全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(GEMS)、全球陸地觀測系統(tǒng)(GTOS)、國際長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)(ILTER)、全球通量觀測網(wǎng)絡(luò)(FLUXNET)等。FLUXNET為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)、碳收支時(shí)空格局以及生態(tài)系統(tǒng)水碳過程的研究提供了全球范圍的實(shí)測數(shù)據(jù)[87]。

中國在1988年建立了覆蓋森林等9大生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN),從20世紀(jì)中葉開始林業(yè)部門逐步建立了中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN),目前該網(wǎng)絡(luò)由橫跨30個(gè)維度、代表不同氣候帶的73個(gè)森林生態(tài)站組成,覆蓋了中國森林生態(tài)系統(tǒng)分布區(qū),并規(guī)劃到2020年森林生態(tài)站數(shù)量達(dá)到99個(gè)[89]。另外,China-FLUX(陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò))于2001年起開始了長期聯(lián)網(wǎng)觀測。至此,中國已形成了長期服務(wù)于不同尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能、水-碳通量研究、陸地樣帶野外觀測一體化的綜合觀測研究網(wǎng)絡(luò)[90],并在估算中國森林碳儲(chǔ)量及研究森林對(duì)碳平衡的影響機(jī)理等工作中得到廣泛應(yīng)用。

森林生態(tài)系統(tǒng)通量觀測網(wǎng)絡(luò)的誕生,極大規(guī)避了樣地清查中采樣和人為的誤差,數(shù)據(jù)更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,為科學(xué)研究及應(yīng)用提供各個(gè)時(shí)間尺度、空間尺度,以及各個(gè)生物學(xué)層次完善的數(shù)據(jù)支持服務(wù),使研究結(jié)果更加可靠,廣泛應(yīng)用于監(jiān)測分析森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量在不同時(shí)空尺度的變化特征及成因、優(yōu)化模型參數(shù)、結(jié)合遙感數(shù)據(jù)估算區(qū)域和全球尺度的生態(tài)系統(tǒng)碳收支等方面[91]。盡管如此,全球已建立的500余個(gè)通量觀測站點(diǎn)中85%的通量站點(diǎn)位于北緯30°—55°之間,而在高植被生產(chǎn)力的熱帶和高碳儲(chǔ)量的北方針葉林區(qū)域觀測站點(diǎn)極為有限,且受制于地形和生態(tài)系統(tǒng)功能型均一的假設(shè),難以獲取區(qū)域和全球尺度上碳儲(chǔ)量的時(shí)空格局[92]。

4 森林碳計(jì)量研究中存在的問題與展望

(1)森林碳計(jì)量方法亟需完善整合。不同的森林碳計(jì)量方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),基于樣地清查的森林碳計(jì)量是最基礎(chǔ)、最精確的方法,但其工作量大,對(duì)森林破壞程度較大,不易恢復(fù),難以實(shí)現(xiàn)時(shí)空尺度上碳儲(chǔ)量分布格局的模擬和碳源/匯強(qiáng)度估算；基于生長收獲的模型根據(jù)不同樹種的生長曲線以及胸徑-樹高等關(guān)系,能夠在一定程度上估算森林的碳儲(chǔ)量,應(yīng)用到其他區(qū)域時(shí)需要重新確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值,具有很強(qiáng)的區(qū)域適用性；遙感模型原理清晰,計(jì)算過程簡單,可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足,但和基于生長收獲的模型一樣,都沒有從機(jī)理上考慮森林植被的碳循環(huán)過程,而過程模型則彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)觀測在機(jī)理研究上的不足以及基于生長收獲的模型的局限性,相輔相成,可以更全面地理解森林生態(tài)系統(tǒng)與氣候以及土壤之間的相互關(guān)系,但過程模型涉及參數(shù)較多,不易獲取和本地化。通量觀測由于國內(nèi)通量觀測塔分布不均,數(shù)量有限,難以形成綜合的森林碳計(jì)量觀測體系。在實(shí)際的森林碳計(jì)量中,根據(jù)不同的森林類型特征和數(shù)據(jù)獲取情況,往往采取不同的碳計(jì)量方法,并傾向于多方法的綜合集成。

(2)森林碳計(jì)量的尺度整合急需要加強(qiáng)。由于森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,各森林碳計(jì)量方法標(biāo)準(zhǔn)不一,觀測尺度、模型模擬尺度以及生態(tài)過程尺度之間的不匹配,可能會(huì)對(duì)森林碳計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。如何將不同尺度的遙感觀測數(shù)據(jù)和森林清查數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,以及在模型驗(yàn)證過程中將地面觀測數(shù)據(jù)升尺度到像元尺度,是當(dāng)前森林碳循環(huán)模擬中亟待解決的難題。因此,集成各森林碳計(jì)量方法的優(yōu)勢,進(jìn)一步集成基于樣地和通量觀測、遙感模型和過程模型模擬等方法,實(shí)現(xiàn)不同尺度間的轉(zhuǎn)換。

(3)森林碳計(jì)量的不確定性分析不夠深入。森林碳計(jì)量的不確定性來源于很多方面,從觀測數(shù)據(jù)的獲取、計(jì)量方法的選擇到森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機(jī)理的認(rèn)識(shí)以及模型模擬過程和結(jié)果等。無論是地面觀測還是遙感反演,觀測儀器都具有一定的誤差范圍,而在模型參數(shù)的選擇中,模型參數(shù)具有時(shí)空異質(zhì)性,對(duì)某一時(shí)刻植被參數(shù)的觀測,并不能真實(shí)反映多個(gè)植被多種狀態(tài)的真實(shí)情況。另外,人們對(duì)植物生理機(jī)制認(rèn)識(shí)尚存在局限性,生物地球化學(xué)過程并不是簡單的用數(shù)學(xué)方程刻畫,通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系解決也是不確定性來源之一。而所有的不確定性最后都通過復(fù)雜的誤差傳遞影響最終碳計(jì)量的結(jié)果。

(4)發(fā)展基于碳-氮-水循環(huán)耦合機(jī)制的森林碳計(jì)量方法。森林生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水循環(huán)是認(rèn)識(shí)氣候變化和森林生態(tài)系統(tǒng)相互作用的關(guān)鍵,對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估全球變化背景下森林碳計(jì)量和碳源/匯的時(shí)空格局具有重要的研究意義。目前雖然對(duì)森林碳-氮-水循環(huán)及其與環(huán)境的相互作用過程機(jī)理有了一定的認(rèn)識(shí),但是缺乏對(duì)關(guān)鍵過程的進(jìn)一步探討,需要從分子水平上加強(qiáng)對(duì)生物調(diào)控機(jī)制的研究,提高森林碳循環(huán)模擬的精確性。

(5)對(duì)人工林碳計(jì)量的研究嚴(yán)重不足。我國實(shí)施了一系列重大的林業(yè)生態(tài)工程,如三北防護(hù)林工程,退耕還林工程等,大規(guī)模造林工程的實(shí)施使得我國擁有世界上最大面積的人工林,且多為中幼齡林,具有巨大的固碳潛力。因此,加強(qiáng)對(duì)人工林固碳潛力和碳源/匯功能的科學(xué)評(píng)估具有重要意義。目前,對(duì)人工林碳計(jì)量的研究較少,已有研究主要基于成熟林碳密度為參考,極大地提高了人工林碳儲(chǔ)量計(jì)量結(jié)果的不確定。另外,人工混交林較人工純林復(fù)雜,受人類干擾的活動(dòng)力度較大,在模型模擬方面也存在諸如植被生理生態(tài)參數(shù)選擇、林分競爭和生物多樣性等問題。

(6)數(shù)據(jù)與方法綜合集成是碳計(jì)量的發(fā)展趨勢。從國家森林資源清查、遙感估測、模型模擬,到多方位、多尺度觀測的生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建立,我國的森林監(jiān)測技術(shù)有了長足的進(jìn)步,積累了大量的森林生態(tài)系統(tǒng)氣候、植被與土壤的生態(tài)參數(shù)和觀測數(shù)據(jù),這些觀測數(shù)據(jù)為陸地生態(tài)系統(tǒng)過程模型提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。例如：利用氣象觀測站點(diǎn)的氣候驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)和遙感影像反演的土地覆被類型、土壤、LAI和森林年齡等參數(shù)作為模型的輸入,利用通量觀測等資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,考慮森林?jǐn)_動(dòng)(火災(zāi)、蟲害等)和土地利用變化(土地轉(zhuǎn)型等)等人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的影響,最后通過森林樣地清查數(shù)據(jù)與模型同化,提高碳通量模擬的精度和可靠性。以生態(tài)過程模型模擬、遙感反演和數(shù)據(jù)同化技術(shù)為主要手段,基于碳通量觀測數(shù)據(jù)、控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)與方法的綜合集成,發(fā)展多學(xué)科、多過程、多尺度的綜合聯(lián)網(wǎng)觀測,充分認(rèn)識(shí)森林碳循環(huán)過程中碳源/匯強(qiáng)度的時(shí)空分布特征,開展區(qū)域、洲際乃至全球尺度碳循環(huán)及其對(duì)全球變化和人類活動(dòng)響應(yīng)的系統(tǒng)性、集成性研究,以便建立高效、可靠的碳計(jì)量體系是未來林業(yè)碳計(jì)量的發(fā)展趨勢,也是目前世界各國的努力目標(biāo)。